العلم الحديث يتوصل إلى روبوتات نانوية الحجم وقابلة للطي

ابتكر باحثون ممولون من الجيش الأمريكي روبوتات نانوية الحجم يمكنها تمكين الحركة وتصميم المواد الخارقة الجديدة وأجهزة الاستشعار عالية الدقة.

ابتكر باحثو جامعة كورنيل مشغلات ذاكرة ذات شكل ميكروني تطوي نفسها في تكوينات ثلاثية الأبعاد وتسمح بمواد ثنائية الأبعاد رفيعة ذريًا بضربة سريعة للجهد. بمجرد ثني المادة ، فإنها تحافظ على شكلها، حتى بعد إزالة الجهد.

لإثبات هذه التقنية، ابتكر الفريق ما يُحتمل أن يكون أصغر طائر اوريغامي ذاتي الطي في العالم.

قال الدكتور دين كولفر، مدير برنامج الديناميكيات والأنظمة المعقدة في مكتب أبحاث الجيش، “إن فريق البحث يدفع بحدود السرعة والدقة التي يمكننا بها التحكم في الحركة على المقاييس الدقيقة وحتى النانوية”. قيادة تطوير القدرات القتالية للجيش الأمريكي، والمعروفة باسم DEVCOM، مختبر أبحاث الجيش. “بالإضافة إلى تمهيد الطريق للروبوتات النانوية، فإن التطورات العلمية من هذا الجهد يمكن أن تتيح تصميم المواد الذكية والتفاعل مع العالم البيولوجي الجزيئي الذي يمكن أن يساعد الجيش بشكل لم يسبق له مثيل.”

وقال إن البحث قد ينتج عنه تطبيقات مستقبلية بعد 10 إلى 20 عامًا من الآن.

في مقال تمت مراجعته من قِبل الأقران ونشر في Science Robotics، قال الباحثون إن هذا العمل يمكن أن يجعل من الممكن لمليون روبوت مجهري مُلفق يتم إطلاقه من رقاقة لطي أنفسهم في الشكل ، والزحف بحرية، والقيام بمهامهم، حتى التجمع في هياكل أكثر تعقيدًا .

قال البروفيسور بول ماكوين، أستاذ جون أ.نيومان للعلوم الفيزيائية بجامعة كورنيل: “نحن البشر، صفتنا المميزة هي أننا تعلمنا كيفية بناء أنظمة وآلات معقدة على المستويات البشرية، وعلى نطاقات هائلة أيضًا”. “ما لم نتعلم كيف نفعله هو بناء آلات بمقاييس صغيرة.”

قال إن هذه خطوة في التطور الأساسي والأساسي لما يمكن أن يفعله البشر، لتعلم كيفية بناء آلات صغيرة مثل الخلايا.

أنتج تعاون الباحثين المستمر حشدًا من الآلات والمكونات النانوية، كل منها يبدو أسرع وأكثر ذكاءً وأكثر أناقة من السابق.

قال البروفيسور إتاي كوهين، أستاذ الفيزياء في جامعة كورنيل: “نريد أن يكون لدينا روبوتات مجهرية ولكن لها أدمغة على متنها”. “هذا يعني أنك بحاجة إلى ملاحق تحركها ترانزستورات مكملة لأكسيد المعادن وأشباه الموصلات ، وهي في الأساس شريحة كمبيوتر على إنسان آلي يبلغ طول جانبه 100 ميكرون. الجزء الصعب هو صنع المواد التي تستجيب لدارات CMOS “.

يتيح مشغل ذاكرة الشكل هذا الذي طورته فرق البحث لهم القيادة بجهد كهربائي وجعل المواد تحمل شكلًا منحنيًا. تطوي الآلات نفسها بسرعة في غضون 100 مللي ثانية. يمكنهم أيضًا أن يتسطحوا ويعيدوا تجهيز أنفسهم آلاف المرات ويحتاجون فقط إلى فولت واحد لتشغيلهم في الحياة.

قال كوهين: “هذه تطورات كبيرة مقارنة بأحدث الأجهزة الحالية”. “نحن حقًا في فصل دراسي خاص بنا”.

يمكن أن تنحني هذه المشغلات بنصف قطر انحناء أصغر من ميكرون – وهي أعلى انحناءات لأي مشغل يحركه الجهد حسب المقدار. هذه المرونة مهمة لأن أحد المبادئ الأساسية لتصنيع الروبوت المجهري هو أن حجم الروبوت يتم تحديده من خلال مدى صغر حجم الملحقات المختلفة التي يمكن طيها. كلما كانت الانحناءات أكثر إحكامًا، كانت الطيات أصغر، وصغر مساحة كل آلة. من المهم أيضًا أن يتمكن الروبوت من الاحتفاظ بهذه الانحناءات، مما يقلل من استهلاك الطاقة، وهي ميزة مفيدة بشكل خاص للروبوتات والآلات المجهرية.

تتكون الأجهزة من طبقة رقيقة نانومترية من البلاتين مغطاة بطبقة من التيتانيوم أو ثاني أكسيد التيتانيوم. توجد عدة ألواح صلبة من زجاج ثاني أكسيد السيليكون فوق تلك الطبقات. عندما يتم تطبيق جهد إيجابي على المشغلات، يتم دفع ذرات الأكسجين إلى البلاتين ومبادلة الأماكن مع ذرات البلاتين.

هذه العملية، التي تسمى الأكسدة، تتسبب في تمدد البلاتين على جانب واحد في اللحامات بين الألواح الزجاجية الخاملة، مما يؤدي إلى ثني الهيكل إلى شكله المحدد مسبقًا. يمكن للآلات أن تحافظ على هذا الشكل حتى بعد إزالة الجهد لأن ذرات الأكسجين المدمجة تتجمع لتشكل حاجزًا، مما يمنعها من الانتشار.

من خلال تطبيق جهد سلبي على الجهاز، يمكن للباحثين إزالة ذرات الأكسجين وإعادة البلاتين بسرعة إلى حالته الأصلية. ومن خلال تغيير نمط الألواح الزجاجية، وما إذا كان البلاتين مكشوفًا من أعلى أو أسفل، يمكنهم إنشاء مجموعة من هياكل الأوريغامي التي تحركها طيات الجبال والوادي.

“الشيء الوحيد اللافت للنظر هو أن هذه الطبقات الصغيرة يبلغ سمكها حوالي 30 ذرة فقط، مقارنة بورقة من الورق، والتي قد يكون سمكها 100000 ذرة. قال ماكوين إنه تحدٍ هندسي هائل لمعرفة كيفية جعل شيء كهذا له نوع الوظائف التي نريدها.

يعمل الفريق حاليًا على دمج مشغلات ذاكرة الشكل الخاصة بهم مع الدوائر لصنع روبوتات مشي بأرجل قابلة للطي بالإضافة إلى روبوتات تشبه الألواح تتحرك عن طريق التموج إلى الأمام.

قد تؤدي هذه الابتكارات في يوم من الأيام إلى روبوتات نانوية يمكنها تنظيف العدوى البكتيرية من الأنسجة البشرية ، والمصانع الدقيقة التي يمكنها تحويل التصنيع والأدوات الجراحية الروبوتية التي هي أصغر بعشر مرات من الأجهزة الحالية ، وفقًا لكوهين.

يقوم الفريق أيضًا بالبحث في المبادئ التي يجب تغييرها من أجل تصميم وتصنيع وتشغيل الآلات على هذا النطاق.

بالإضافة إلى ARO ، قامت المؤسسة الوطنية للعلوم، ومركز كورنيل لأبحاث المواد، ومكتب القوات الجوية للبحث العلمي، ومعهد كافلي في كورنيل للعلوم النانوية بتمويل العمل.